Содержание к диссертации
Введение
1. Способы и технические средства разрушения сводов в бункерах. состояние вопроса. цель и задачи исследований 10
1.1 Характерные особенности образования и разрушения сводов в бункерах 10
1.2 Способы и устройства для разрушения сводов в бункерах. Требования, показатели, характерные области применения 14
1.3 Цель и задачи исследований 28
2. Конструкция машины ударного действия с импульсным линейным электромагнитным двигателем для разрушения сводов 30
2.1 Постановка задачи 30
2.2 Импульсные линейные электромагнитные двигатели с повышенными удельными энергетическими показателями 32
2.2.1 Магнитные системы осесимметричных цилиндрических ЛЭМД с комбинированным якорем и несколькими рабочими зазорами 32
2.2.2 Оптимальные геометрические соотношения в магнитных системах однообмоточных броневых цилиндрических ЛЭМД 35
2.2.3 Расчет статических тяговых характеристик 39
2.2.4 Конструктивные схемы осесимметричных цилиндрических ЛЭМД с комбинированным якорем и несколькими рабочими зазорами 42
2.3 Устройство передачи и регулирования механической энергии в системе «импульсный ЛЭМД - бункер» 49
2.4 Редкоударная машина с импульсным ЛЭМД для сводообрушения в бункерах 52
Выводы 55
3. Источники питания и электрические преобразователи сводообрушителя с импульсным ЛЭМД 56
3.1 Краткий сравнительный анализ источников питания ЛЭМД сводообрушителя 56
3.2 Основные типы электрических преобразователей для питания и управления сводообрушителем с ЛЭМД 58
3.2.1 Преобразователи, подключаемые к сети переменного тока 64
3.2.1.1 Преобразователь для ЛЭМД с узлом статического на гружен ия якоря 69
3.2.2 Преобразователь с емкостным накопителем энергии 76
Выводы 79
4. Рабочие процессы сводообрушителя с импульсным ЛЭМД 80
4.1 Экспериментальные исследования рабочих процессов импульсного ЛЭМД сводообрушителя 80
4.2 Исследование энергопреобразования ЛЭМД, питаемого от сети 87
4.3 Исследование энергопреобразования ЛЭМД, питаемого от емкостного накопителя 94
4.4 Влияние конструктивных параметров ЛЭМД сводообрушителя на эффективность энергопреобразования и выходные показатели 100
4.5 Производственные испытания импульсного линейного электромагнитного привода 103
Выводы 106
Общие выводы 107
Список литературы 109
Приложение 1 121
Приложение 2 124
- Способы и устройства для разрушения сводов в бункерах. Требования, показатели, характерные области применения
- Импульсные линейные электромагнитные двигатели с повышенными удельными энергетическими показателями
- Основные типы электрических преобразователей для питания и управления сводообрушителем с ЛЭМД
- Исследование энергопреобразования ЛЭМД, питаемого от сети
Введение к работе
Многие процессы сельскохозяйственного производства связаны с хранением и транспортировкой сыпучих материалов, доля которых составляет около 60% всех перерабатываемых грузов. Часто при этом используются бункерные устройства. Наряду с очевидными достоинствами (возможность сочетания с любыми механизмами непрерывного или периодического действия, возможность аккумулирования сыпучего материала в том или ином объеме, простота конструкции и обслуживания, большая пропускная способность, надежность) бункерам свойственен серьезный недостаток - перебои при выгрузке сыпучих материалов, приводящий к резкому снижению производительности сельскохозяйственных машин и оборудования, дополнительным затратам рабочего времени и энергии на восстановление сыпучести. Причиной перебоев являются образующиеся у выпускного отверстия устойчивые своды, приводящие к зависанию и частичному или полному прекращению истечения материала из бункера [5,6,15,18].
Из публикаций [5,6,15,18] известно что затраты на осуществление мероприятий по устранению простоев, вызванных сводообразованием сыпучих материалов составляют около 20...30% от общих затрат на обслуживание бункерных устройств.
С целью устранения сводчатых структур применяются различного рода сводообрушающие устройства. Правильный выбор способа и конструкции сво-дообрушителя позволяет решать вопрос восстановления сыпучести материалов из бункеров.
В настоящее время широко примененяются сводообрушители с электроприводом, основанные на вибрационном и виброударном способах разрушения сводов. Для таких устройств характерны регулярные и достаточно продолжительные воздействия на бункеры, что неблагоприятно сказывается на ресурсе оборудования. Кроме того, такие устройства имеют сравнительно высокую металлоемкость. В связи с этим, поиск новых способов и технических средств, повышающих эффективность борьбы со сводообразованием, является актуаль-
ной задачей, в том числе, для сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий. Одним из таких направлений является создание электропривода, отличающегося импульсным способом воздействия на внешнюю поверхность бункера, малым потреблением электроэнергии, сравнительно высокими удельными показателями и КПД преобразования энергии, отсутствием прямого контакта и отрицательного воздействия на сыпучий материал.
Цель диссертационной работы. Интенсификация разгрузки бункерных устройств за счет сводообрушения импульсными электромагнитными системами.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
выявить характерные особенности образования сводов сыпучих сред в бункерах и провести анализ способов и устройств для их разрушения; обосновать энергию ударного воздействия импульсного сводообру-шителя.
обосновать тип магнитной системы импульсного линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) сводообрушителя, провести расчет его основных геометрических параметров и статических характеристик по заданным выходным показателям сводообрушителя;
обосновать способ повышения удельных энергетических показателей ЛЭМД сводообрушителя;
разработать электрические преобразователи, реализующие эффективные рабочие циклы и обеспечивающие требуемые режимы работы машины;
исследовать процессы энергопреобразования в ЛЭМД сводообрушителя с повышенными удельными показателями при различных способах питания;
- провести технико-экономическую оценку результатов исследований.
Объект исследования - импульсная электромагнитная система для раз
рушения сводов в бункерах.
Предмет исследования - рабочие процессы сводообрушителя с импульсным лэмд.
Методика исследования. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования, основанные на теории электрических машин, теоретических основ электротехники и автоматизированного электропривода. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники, в том числе аналого-цифровой преобразователь ПЭВМ.
Научная новизна работы:
предложены классификационные признаки и уточнена классификация устройств для разрушения сводов сыпучих материалов в бункерах;
предложена конструкция управляемого дополнительно по механическому каналу импульсного ЛЭМД с устройством нагружения якоря с улучшенными массогабаритными и удельными энергетическими показателями;
разработаны электрические преобразователи для питания и управления ЛЭМД, обеспечивающие требуемые режимы работы сводообрушителя;
исследованы энергопреобразовательные процессы и сформулированы условия повышения выходных показателей ЛЭМД сводообрушителя, питаемого от емкостного накопителя энергии.
Практическая ценность работы. Разработана импульсная электромагнитная система с повышенными удельными энергетическими показателями, обеспечивающая интенсификацию разгрузки бункерных устройств.
Реализация научно-технических результатов. Технические возможности и эффективность импульсной электромагнитной системы с ЛЭМД для сво-дообрушения в металлических бункерах для муки подтверждена производственными испытаниями.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в
обучении и производстве»(г. Камышин, 20-23 мая 2003г.); на десятой международной науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»(г.Москва, 2-3 марта 2004г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии»(г.Тольятти, 21-24 сентября 2004г.); на третьей Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве (г.Камышин, 20-22 апреля 2005г.); на второй научно - технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (г.Новосибирск, 25-26 октября 2005г.); на ежегодных научно технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им.Н.КВавилова в 2002,2003,2004 годах.
Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, общим объемом 3,3 печатных листа, из них один патент РФ и одна работа опубликована в центральной печати объемом 0,2 печатных листа. 1,27 печатных листа принадлежит лично соискателю.
На защиту выносятся:
обоснование энергии ударного воздействия для эффективного разрушения сводов в металлических бункерах для муки;
уточненная классификация устройств для разрушения сводов сыпучих материалов в бункерах;
обоснование параметров и конструкция электромагнитной машины ударного действия с повышенными удельными энергетическими показателями для разрушения сводов в металлических бункерах для муки;
принципиальные схемы электрических преобразователей сводообрушителя с импульсным ЛЭМД;
процессы энергопреобразования в ЛЭМД сводообрушителя с повышенными удельными показателями при различных способах питания;
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 40
9 рисунков, 2 приложения. Список использованной литературы включает 117 наименований, из них 3 на иностранных языках.
В процессе выполнения работы автор поддерживал творческие связи с д.т.н. Г.Г.Угаровым, к.т.н. А.В.Львицыным, к.т.н. С.Н.Любайкиным и к.т.н. В.И.Мошкиным, которым выражает глубокую благодарность за внимательное отношение к работе и практическую помощь.
Способы и устройства для разрушения сводов в бункерах. Требования, показатели, характерные области применения
Существует ряд предупредительных мер, предотвращающих нарушение нормального истечения сыпучего материала из бункеров: обеспечение стандартной влажности сыпучего груза, обогрев бункеров, введение в среду различных добавок, понижающих слеживаемость, покрытие стенок емкостей специальными материалами и пленками. Проблема выгрузки сыпучих материалов в нашей стране и за рубежом решается в двух направлениях: - оптимизация конструкций емкостей и выгрузных отверстий; - применение различных сводообрушающих устройств. Вопрос оптимизации конструкций бункеров и выпускных отверстий достаточно полно изучен в работах Богомягких В.А., Гячева Л.В., Зенкова Р.Л. и других ученых. Они вели исследования, направленные на улучшение эксплуатационных качеств бункеров путем выбора их оптимальных геометрических параметров.
Патентный поиск, анализ отечественной и зарубежной литературы показывает многообразие конструкций бункеров, предназначенных для хранения и выпуска различных материалов.
Известны конструкции бункеров, в которых давление на стены снижается за счет конструктивных особенностей. Так, бункера фирмы «Blendomat», используемые в ФРГ, США, Швейцарии, Италии, имеют в своей конструкции направляющий (разгрузочный) выступ. Одна из стенок бункера расположена под углом 40 к выпускному отверстию, а оставшиеся три стены расположены вертикально [4].
В некоторых странах большое внимание уделяется проектированию емкостей, конструкция которых способствует одновременному движению всей массы груза. Примером может служить бункер, состоящий из цилиндрического корпуса, конической выпускной воронки, с углом наклона стенок 60 градусов, установленный на шести стойках, расположенных кольцеобразно по периметру.
Ученые ФРГ предлагают выполнять стенки бункеров эластичными, что позволит снизить возможность сводообразования по сравнению с жесткими бункерами. Однако эластичные бункера, рассчитаные на небольшую емкость (до 15 - 20 т), не нашли широкого применения.
Сводообразование в емкостях для сухих концентрированных кормов можно предупредить устройствами, выполненными в виде горизонтальных полок, конусообразных и крышеобразных рассекателей, направляющих труб [27]. Известны конструкции разгрузочных устройств бункеров, в которых снятие нагрузок внутри массы сыпучего материала осуществляется за счет установки системы встроенных клиновидных элементов, обеспечивающих перенос существующей массы столба на стенки бункера. Примером служат системы снятия нагрузок (ССН) фирмы «Бюлер» (Швейцария), «Швебише Хюттенерке» (Германия), выполненные в виде расположенных внутри бункера разгрузочных элементов — ступеней строго рассчитанных в соответствии с видом сыпучего материала [60]. На ряде хлебозаводов внедрена ССН, позволяющая улучшать качество разгрузки за счет организации распределения сил трения по площади внутренней поверхности бункера. Это осуществляется применением поверхностей с различной степенью шероховатости [60]. Недостатками таких конструкций является усложнение изготовления силосов (бункеров), повышение их металлоемкости. Наряду с оптимизацией конструкций бункеров применяют различные побудительные устройства для предотвращения и разрушения сводов. Сформулируем основные требования, которым должны удовлетворять такие устройства: - малая энергоемкость; - малая металлоемкость; - высокая надежность и долговечность; - простота и технологичность конструкции; - безопасность в эксплуатации; - работоспособность в агрессивных средах и при высоких температурах; - минимальное отрицательное воздействие на сыпучий материал и на прочность бункерного устройства. На основании анализа существующих конструкций побудительных устройств для разрушения сводов сухих и влажных концентрированных сыпучих материалов в бункерах разработана их классификация (рис. 1.4), которая упростила задачу выбора наиболее предпочтительного конструктивного исполнения и привода сводообрушителя.
Применяемые в практике устройства для обрушения сводов целесообразно классифицировать по видухиспользуемой энергии, по способу разрушения свода, по принципу действия, по конструкции сводообрушающего органа, по характеру воздействия на бункер или среду.
Импульсные линейные электромагнитные двигатели с повышенными удельными энергетическими показателями
Для оценки и сравнения конструкций магнитных систем ЛЭМД одно и редкоударных машин критериями эффективности могут служить характерные показатели статического режима: максимальное усилие F3; интегральная работа Аи на единицу массы т активных материалов; запасенная магнитная энергия Ам\ коэнергия Ак [42,43,78]. Для приближенной оценки развиваемого электромагнитного усилия можно воспользоваться выражением [70,78]: F3 = B2nrf/2 (2.2) где//0 = 4ж / ? 7Гн/м; В - магнитная индукция, г} - радиус втяжной части якоря. Интегральная работа Аи связана с электромагнитной силой F3 соотношением AM = \F3{S)d5, (2.3) о где 6 - рабочий ход якоря. Тип магнитной системы импульсного ЛЭМД в значительной степени определяет конструкцию и параметры сводообрушителя. Проведенные исследования [44,46,47,48,53,73] позволяют считать наиболее перспективным для привода сводообрушителя цилиндрический броневой электромагнитный двигатель, обладающий высокими энергетическими показателями, простотой и технологичностью изготовления.
По типу магнитных систем броневые ЛЭМД цилиндрической структуры могут быть: с притягивающимся якорем, с втягивающимся и с комбинированным. Подробный сравнительный анализ дан в [78].
В работах [62,66,78] показано, что лучшими характеристиками обладают ЛЭМД с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами (рис.2.2, а, б). В ЛЭМД такого типа максимально использован магнитный поток, увеличен запас магнитной энергии, минимизированы паразитные зазоры, развита поверхность якоря, взаимодействующего с ярмом.
В работе [32] исследованы основные энергетические показатели электромагнитных двигателей цилиндрической структуры в статическом режиме: интегральная работа Аи, запасенная магнитная энергия Ам, коэнергия Ак в функции рабочего воздушного зазора и величины тока. Максимальная (предельная) магнитная энергия А, которая могла бы быть реализована в ЛЭМД при данном значении установившегося тока и диапазона изменения рабочего воздушного зазора определяется суммой этих составляющих: А= Аи+ Ам+ Ак.
Анализ зависимостей их относительных значений в функции относительных значений рабочего зазора и тока, приведенный в [32,78], показал, что по сравнению с другими, у ЛЭМД с комбинированным якорем и двумя рабочими зазорами энергетические показатели статического режима выше.
Типы магнитных систем цилиндрических ЛЭМД: а - с комбинированным якорем без стопа; б - со стопом и комбинированным якорем. I - комбинированный якорь;2 -обмотка; 3 - магнитопровод; 4 - стоп.
Вместе с тем, исследование статических режимов и характеристик ЛЭМД позволяет лишь предварительно оценить предельно достижимые показатели машины. Для такого режима характерно отсутствие противо-ЭДС всегда сопровождающей процесс энергопреобразования в двигателе при движении якоря и оказывающей значительное влияние на его выходные показатели. Сравнение характеристик ЛЭМД с втягивающимся и комбинированным якорем в динамическом режиме работы проведено в главе 4.
Таким образом, результаты анализа [23,62,64,65,66,77,78,79,80 - 95,97,98] и краткое сравнение магнитных систем ЛЭМД показывают, что магнитные системы броневой цилиндрической структуры с двумя рабочими зазорами и комбинированным якорем без стопа обладают лучшими потенциальными возможностями, и позволяют рекомендовать импульсные ЛЭМД с такой структурой для создания сводообрушителя. 2.2.2 Оптимальные геометрические соотношения в магнитных системах однообмоточных броневых цилиндрических ЛЭМД
Применение в приводе сводообрушителя импульсного линейного электромагнитного двигателя вызывает необходимость расчета его основных конструктивных параметров (геометрических размеров магнитопровода, обмоточных данных и т.д.) по заданным выходным параметрам машины. Оптимальные соотношения этих параметров оказывают непосредственное влияние на процессы энергопреобразования в ЛЭМД, на показатели использования его активных материалов и на величину совершаемой им механической работы.
Важнейшим энергетическим показателем машин ударного действия вообще и сводообрушителя с импульсным ЛЭМД, в частности, служит выходная механическая энергия Ау (или энергия удара якоря), которая определяется его кинетической энергией в момент соударения с нагрузкой (бункером). Однако параметры импульсного воздействия, обеспечивающие устойчивое разрушение свода, заданы, как показано в пункте 1.1 силой взаимодействия Fy и ее импульсом Sy.
Расчетная схема действующих и возникающих при прямом ударе в системе «бункер — ударник» сил показана на рис. 2.1,6.
Для приближенной оценки выходной механической энергии Ау электромагнитного сводообрушителя, обеспечивающей требуемые силовые показатели, воспользуемся теоремой импульсов. Будем считать прямой удар, имеющего предударную скорость V/, якоря с массой т} по стенке т2, заполненного мукой бункера, неупругим и коэффициент восстановления скорости при ударе ку=0. Полагая массу стенки бункера и присоединенную массу муки тг» Ш], пренебрежем приобретаемой ими в результате взаимодействия скоростью К2 и, считая время взаимодействия т соударяющихся элементов малым, получим: т -тУ -my F x, (2.4) где Fycp - среднее за время г значение силы. Знак минус означает, что векторы силы импульсного взаимодействия и скорости якоря направлены встречно. Чем меньше время соударения г, тем ближе среднее и амплитудное значения силы Fy и тем точнее результат, определяемый формулой (2.4). Принимая во внимание абсолютную величину показателей и умножая обе части уравнения на F;, определим энергию Ау, необходимую для разрушения свода: 2Ay=m!V!2=FycprVJ, (2.5)
Анализ показателей серийно выпускаемых или экспериментальных перспективных образцов электромагнитных ударных машин, проведенный в работе [66], показывает, что скорость движения якоря у них не превосходит 10 м/с, а в большинстве практических конструкций составляет, в среднем, 5 м/с. Тогда для бункеров с заданными показателями (толщиной стенки) при известном импульсе силы (пункт 1.1), обеспечивающем устойчивое разрушение свода, с учетом (2.5) легко определить соответствующий ему диапазон энергий сводооб-рушителя: Ау=24...48Дж. В дальнейших рассуждениях будем считать, что создаваемые сводообрушители с импульсным ЛЭМД должны обеспечивать близкие к этим показатели, в частности, примем для них Ау=25...50 Дою.
Сравнительный анализ различных методов расчета основных конструктивных параметров ЛЭМД [21,22,36,62,69,70,72] показывает, что обоснование оптимальных значений длины обмотки 1к и радиуса якоря Гі наиболее полно отражено в работе [36]. Данный расчет выполнен при следующих допущениях: сечение стали вдоль магнитной цепи неизменно; магнитопровод при нулевом рабочем зазоре (3=0) насыщен, при начальном (3=3Н) не насыщен; ток во время движения якоря остается неизменным, режим работы ЛЭМД кратковременный.
Основные типы электрических преобразователей для питания и управления сводообрушителем с ЛЭМД
Линейные электромагнитные двигатели, осуществляющие дискретное потребление и преобразование электрической энергии в механическую работу, для источника питания представляют собой нагрузку импульсного характера. Формирование в обмотке ЛЭМД униполярных импульсов напряжения и тока необходимой амплитуды, формы, длительности и частоты осуществляется с помощью специальных электрических преобразователей (ЭП). В работах [36,62,69,78] показано, что устройство ЭП оказывает решающее влияние на энергию удара, КПД и надежность машины. Параметры источника питания и габариты (мощность) ЛЭМД определяют, главным образом, схему и конструкцию импульсного преобразователя.
С целью выработки рекомендаций по улучшению существующих или разработке новых схем ЭП, реализующих необходимые алгоритмы управления и режимы энергопреобразований ЛЭМД сводообрушителей, представляется целесообразным установить особенности работы этих машин в технологической цепи разгрузки бункеров и сформулировать требования к электрическим преобразователям для этих ЛЭМД, а также рассмотреть основные классификационные признаки ЭП и схемотехнические особенности их характерных функциональных узлов.
Выявленные при проведении производственных испытаний и определяемые условиями технологического процесса разгрузки бункеров характерные режимы работы сводообрушителя могут быть представлены следующим образом: - ручной режим одиночных ходов; - автоматический от внешнего сигнала режим одиночных ходов; - автоматический от внешнего сигнала режим серии ходов с регулируемой частотой. Включение в работу ЛЭМД сводообрушителя в автоматических режимах удобно осуществлять либо сигналом включения шнекового питателя отбора муки из бункера, либо с помощью оптических датчиков, контролирующих процесс истечения сыпучего материала. Производственными испытаниями установлено, что первый способ управления является наиболее предпочтительным, поскольку, благодаря превентивному воздействию на бункер, позволяет предотвращать образование устойчивых сводов. При втором способе управления образовавшиеся устойчивые своды необходимо разрушать.
К основным требованиям, которым должны соответствовать электрические преобразователи сводообрушителей с ЛЭМД следует отнести: - простоту, надежность, минимум капитальных затрат; - возможность регулирования выходных параметров сводообрушителя; - обеспечение требуемого режима работы сводообрушителя и удобство сочетания с устройствами управления других технологических машин; - гашение магнитного поля ЛЭМД (или рекуперация его энергии) в конце цикла энергопреобразования; - минимизация колебаний напряжения в электрической сети, обусловленных импульсным характером работы привода, и соответствие их допустимым нормам; - автоматическое отключение привода от источника в случае его повреждения. Наиболее полно классификация электрических преобразователей ЛЭМД ударных машин рассмотрена в работе [78]. Из всего многообразия интерес, с точки зрения совершенствования существующих или разработки новых ЭП для ЛЭМД сводообрушителей, представляют признаки, определяющие: - число фаз и номинальное напряжение питающей сети; - возможность регулирования и стабилизации выходной механической энергии сводообрушителя; - возможность формирования алгоритмов управления, обеспечивающих повышение выходных показателей за счет интенсификации энергопреобразовательных процессов ЛЭМД; - наличие в ЭП промежуточных накопителей энергии, снижающих нагрузку на питающую сеть.
В. Такое разделение и рекомендации по подключению тех или других сводообрушите-лей к одно-и трехфазным источникам переменного тока обусловлены необходимостью согласования длительности преобразовательных процессов в электрической, магнитной и механической системах ЛЭМД этих машин с продолжительностью периода T=l/f питающего напряжения сети.
Поскольку на практике существует реальная возможность использования более мощных (35...50 Дж) машин на бункерах с «тонкой» стенкой, то важной представляется возможность ЭП обеспечивать регулировку и стабилизацию выходной энергии сводообрушителя таким образом, чтобы при ударах по бункеру имели место лишь упругие деформации его стенок. Стабилизация выходной энергии Ау сводообрушителя также имеет целью предотвратить смятие стенок бункера и становится важной, если существуют сколь-нибудь значительные колебания напряжения в питающей сети, а применение в ЭП промежуточных накопителей, позволяет, дополнительно к регулированию и стабилизации, уменьшить импульсную нагрузку на сеть и улучшить условия работы потребителей, чувствительных к возникающим колебаниям напряжения, в частности, осветительных установок.
Исследование энергопреобразования ЛЭМД, питаемого от сети
Проведем анализ рабочего процесса и особенностей энергопреобразования ЛЭМД сводообрушителя, питаемого через импульсный преобразователь от источника переменного тока. В качестве примера будем рассматривать машину с выходной механической энергией Ау 30 Дж, подключаемую к однофазной сети с номинальным напряжением 220
Для этапа tTp баланс энергий в дифференциальной форме имеет вид u(t)i(t)dt = i2(t)Rdt + i(t)dtF, и электрическая энергия, потребляемая от источника, частично преобразуется в тепло dAQ = i2(t)Rdt и диссипатирует, а частично - в энергию магнитного поля dWmr = i(t)d4/ и аккумулируется в машине. Уровень запасенной в ЛЭМД на этапе tTP магнитной энергии оказывает существенное влияние на последующий, на рабочем ходе, этап энергопреобразования и выходные показатели ЛЭМД. Из соотношения следует, что чем больше значение тока ітр в обмотке, при котором начинается движение якоря, тем больший запас магнитной энергии накоплен в двигателе, тем большая часть этой энергии может быть преобразована на этапе t%B рабочего хода. В момент времени ti=trp, когда F$ F[jp, начинается движение якоря в направлении уменьшения рабочего зазора и в течение промежутка ідв происходит его разгон под действием результирующей силы Fp=Fj FJIP до момента соударения с нагрузкой (т.Ь на диаграмме). Энергетический баланс для этого интервала на элементарном промежутке времени dt может быть представлен в виде u(t)i(t)dt = i2(t)Rdt + Li(t)di + i2(t)dL, и, таким образом, на рабочем ходе якоря часть энергии источника преобразуется в тепло, а часть — в энергию магнитного поля, которая, в свою очередь, частично пополняет имеющийся запас магнитной энергии ЛЭМД, а частично преобразуется в механическую работу перемещения якоря. Перераспределение этих двух составляющих уравнения энергетического баланса зависит и от свойств двигателя, и от показателей источника. Для рабочего цикла (рис.4.5) после соударения якоря с нагрузкой в магнитной системе не остается неизрасходованного запаса энергии, вследствие чего под действием упругих сил сжатой пружины якорь начинает холостой ход и возвращается в исходное положение. Из рис. 4.5, в частности, следует, что однофазный однополупериодный выпрямитель формирует питающие импульсы u(t), i(t) с пологими фронтами, что ухудшает достижимые удельные показатели ЛЭМД. Так, предударная скорость якоря, вычисленная по кривой перемещения S(t) составила У=2,7м/с, а энергия удара Ау = 8,4 Дж.
В главе 2 показано, что эффективным способом повышения энергии удара и КПД редкоударных ЛЭМД служит форсировка процесса аккумулирования магнитной энергии в индуктивностях машины на этапе трогания при неподвижном якоре. Движение якоря ЛЭМД обеспечивается, когда электромагнитная сила F3, определяемая значением тока іТр в обмотке, становится больше противодействующей Fnp=k8, создаваемой возвратной пружиной. Чем больше жесткость к применяемой пружины, тем большее значение ітр необходимо обеспечить в обмотке ЛЭМД для начала движения якоря, и тем больше к моменту ітр в объеме рабочих зазоров будет аккумулироваться магнитной энергии. Однако применение жестких, с большим значением к, возвратных пружин энергетически очень не выгодно, поскольку они создают на всем рабочем ходе постоянно возрастающее противодействие якорю, существенно уменьшают его предударную скорость и, соответственно, выходные показатели машины. Для преодоления этого противоречия в редкоударных ЛЭМД целесообразно обеспечивать холостой ход якоря сравнительно мягкими, с малыми значениями к, пружинами, а регулируемое по величине начальное противодействующее усилие, повышающее ток трогания ітр и показатели ЛЭМД, создавать дополнительным устройством, например, небольшим электромагнитом, с релейной, или близкой к ней, характеристикой «сила удержания F0 - ход якоря S». В этом случае, до момента трогания якорь будет нагружен суммарным противодействующим усилием F[jp+ F0 мягкой пружины и электромагнита удержания, которое резко уменьшается до значения FJJP после трогания якоря и мало влияет на показатели цикла энергопреобразования ЛЭМД сводообрушителя.
Проведем оценку влияния удержания якоря на энергетические показатели двигателя сводообрушителя. Наглядное представление о таком влиянии дают энергетические диаграммы ЛЭМД, построенные в осях - і «потокосцепление - ток».
С использованием рекомендаций [45] построены статические характеристики намагничивания ЛЭМД Ч = f(i, 8) для различных положений якоря. Методика предполагает включение обмотки электромагнита на постоянное напряжение различной величины. Однако имеющая место здесь избыточность интервала времени, в течение которого установившейся ток протекает по катушке, вызывает ее повышенный нагрев и изменение омического сопротивления. С целью снижения температуры нагрева обмотки двигателя при снятии статических характеристик использован ЭП2 с промежуточным емкостным накопителем энергии большой емкости (С=0,28...0,3 Ф), заряжаемый различными значениями напряжений (рис.4.4). При разряде такого накопителя на обмотку время возрастания тока до установившегося значения и измерения показателей испытуемого ЛЭМД составляло 0,09...0,095 с, что позволило в 2,5...3 раза снизить температуру нагрева обмотки.
Линия динамического перехода построена с использованием экспериментальных динамических характеристик ЛЭМД при однофазном сетевом питании [25]. Для этого по кривым потокосцепления и перемещения якоря найден ряд мгновенных значений потокосцепления и положения якоря для одних и тех же моментов времени. Полученные значения потокосцепления откложены на оси ординат статических характеристик Ч г = f(i,S) и через найденные точки проведены горизонтальные линии до пересечения со статической магнитной характеристикой, построенной для того рабочего зазора, которому соответствует взятая величина потокосцепления.
